Materiais de Construção Mecânica I

Professor Eduardo Salmazo

Ementa/Plano de Ensino

• Estrutura Atômica e Ligação Interatômica: Ligação Atômica nos Sólidos.

• Estrutura dos Metais: Estruturas Cristalinas.• Imperfeições nos Sólidos: Defeitos Pontuais,

Imperfeições Diversas e Exame Microscópico. • Propriedades Mecânicas: Deformação Elástica, Dureza.• Mecanismos de Deformação e Aumento da Resistência:

Mecanismos de Deformação para Metais.• Diagramas de Fases: Diagramas de Fases em Condições

de Equilíbrio Sistema Ferro-Carbono.

Objetivos

• Permitir ao aluno de engenharia mecânica o conhecimento sobre a estrutura interna dos materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e correlacioná-la com as produções. Conhecer metais como aço, ferro fundido e outros.

PLT/Bibliografia

• CALLISTER JR., William D.. Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais. 1ª ed. Rio de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos, 2009.

Avaliação

Cronograma

Propriedades dos materiais

O desempenho de um determinado componente e o processo de fabricação do mesmo serão definidos pelas propriedades dos materiais aplicados em sua fabricação.

As propriedades dos materiais são definidas por sua microestrutura que, por sua vez, depende da composição e do processo de fabricação.

Estrutura atômica e ligação interatômica

• Qual a diferença entre os corpo abaixo?

http://pianowski.blogspot.com.br/2011/01/o-grafite-e-o-diamante.html (26/02/2013)

Modelo atômico

http://www.infoescola.com/quimica/atomo/ (26/02/2013)

PRÓTON: partícula eletricamente positiva, encontra-se no núcleo.NEUTRON: partícula eletricamente neutra, econtra-se no núcleo.ELÉTRON: partícula eletricamente negatica, encontra-se na eletrosfera.

e = 1,6 x 10-19 Cme = 9,11 x 10-31 kgmp = me = 1,67 x 10-27 kg ≈ 1 uma

Z: NÚMERO ATÔMICO, quantidade de prótons presentes no núcleo (define o elemento).N: número de neutrons.A: massa atômica ( )A Z N

Camadas eletrônicas

Os elétrons de um átomo encontram-se distribuidos na eletrosfera ocupando níveis ou camandas específicas.

Obviamente nem sempre todas as camadas estão preenchidas.Define-se elétrons de valência os que ocupam a camada mais externa e, portanto, apresentam ligação mais tênue com o átomo.

http://www.infoescola.com/fisico-quimica/niveis-de-energia/ (26/02/2013)

http://www.ptable.com/?lang=pt (26/02/2013)

AUMENTO DA AFINIDADE ELETRÔNICA

Isótopos: átomos com mesma quantidade de prótons (mesmo número atômico), porém, diferentes quantidade de neutrons e, consequentemente, diferentes massas atômicas.Assim, a massa atômica apresentada na tabela periódica é dada por uma média ponderada entre as massas dos diversos isótopos existentes na natureza.

Número de Avogrado

Define-se 1 mol como uma quantidade de

6,02 x 1023

A unidade de massa atômica (uma) relaciona-se com o número de Avogrado da seguinte forma

1 uma/átomo = 1g/mol

Exemplo: a massa atômica do ferro é 55,85 uma/átomo, então 1 mol de ferro apresentará massa de 55,85 g.

Ligações interatômicas

• Ligação entre átomos• LIGAÇÃO IÔNICA: ligação entre elementos

metálios e não metálicos. Materiais metálicos perdem alguns de seus elétrons de valência para materiais não metálicos, assim todos os átomos adquirem configurações estáveis e adquirem cargas elétricas de sinais opostos.– Os átomos da ligação passam a se chamar ÍONS.– Íon positivo: CÁTION– Íon negativo: ÂNION

http://3-duca.blogspot.com.br/2011/06/pequeno-esquema-de-ligacoes-quimicas.html (26/02/2013)

Características das substâncias iônicas:• Condutividade elétrica desprezaível quando em estado sólido e alta condutividade quando dissolvidos em água.•Dureza elevada•Altos pontos de ebulição e fusão•Baixa tenacidade (são quebradiços)•Todos os compostos iônicos são sólidos cristalinos à temperatura ambiente.

Cloreto de Sódio (NaCl) – sal de cozinha

• LIGAÇÃO COVALENTE: compartilhamento de elétrons da camada de valência.

http://quimicasociedadeecultura.blogspot.com.br/2012/10/ligacoes-quimicas.html (26/02/2013)http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=18389 (26/02/2013)

• LIGAÇÃO METÁLICA: ligação presente em metais e suas ligas.

• Os elétrons de valência dos átomos metálicos passam a pertencer à rede de átomos, não mais à um átomo em particular e são chamados de elétrons livres.

• O núcleo, juntamento com o restante do elétrons do átomo passam a ser chamados de núcleo iônico.

http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/ligacao-metalica/ligacao-metalica-2.php (26/02/2013)

Estruturas dos MetaisMaterial cristalino: átomos arranjados de acordo com uma matriz que se repete ao longo de grandes distâncias atômicas.Cristais: conjunto de átomos com mesmo arranjo.Material amorfo: não há a presença de cristais.

http://wikiciencias.casadasciencias.org/index.php/Liga%C3%A7%C3%A3o_i%C3%B3nica (05/03/2013)

Células unitárias

Na representação de estruturas cristalinas, os átomos serão representados por esferas sólidas – modelo da esfera rígida atômica.Célula unitária é o resultado da divisão de um cristal em estruturas repetitivas, formadas por um pequeno agrupamento de átomos.Toda a estrutura cristalina pode, então, ser obtida à partir de translações da célula unitária.

Estruturas cristalinas mais comuns

• CÚBICA SIMPLES (CS)

Em metais• CÚBICA DE FACE CENTRADA (CFC)• CÚBICA DE CORPO CENTRADO (CCC)• HEXAGONAL COMPACTA (HC)

Sistema Cúbico

NÚMERO DE COORDENAÇÃO

Quantidade de vizinhos de cada átomo.CS = 6 CCC = 8 CFC = 12

Tamanho da aresta de uma célula unitária

• CS

Onde R é o raio atômico

2a R

Tamanho da aresta de uma célula unitária

• CFC

Onde R é o raio atômico

2 2a R

Tamanho da aresta de uma célula unitária

• CCC

Onde R é o raio atômico

4

3a

R

FEA – Fator de Empacotamento Atômico

• Relação entre o volume ocupado pelos átomos (ou frações) em uma célula e o volume da célula unitária

volume dos átomos

volume da célulaFEA

FEA - CS

3 3

3 3

4 4

(2 )3 3 0,52CS

R RFEA

a R

Há 1 átomo nesta célula.

FEA - CCC

3 3

33

4 42 2

3 3 0,6

3

84

CCC

R RFEA

a R

Há 2 átomos nesta célula.

FEA - CFC

3 3

3 3

4 44 4

3 3 0,7)2(

42

CFC

R RFEA

a R

Há 4 átomos nesta célula.

METAL ESTRUTURA RAIO ATÔMICO (nm)

METAL ESTRUTURA RAIO ATÔMICO (nm)

ALUMÍNIO CFC 0,1431 MOLIBDÊNIO CCC 0,1363

CÁDMIO HC 0,1490 NÍQUEL CFC 0,1246

CHUMBO CFC 0,1750 OURO CFC 0,1442

COBALTO HC 0,1253 PLATINA CFC 0,1387

COBRE CFC 0,1278 PRATA CFC 0,1445

CROMO CCC 0,1249 TÂNTALO CCC 0,1430

FERRO CCC 0,1241 TITÂNIO HC 0,1445

Fonte: Willian D. Callister, Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais

Exemplo

• Determine a densidade dos metais listados abaixo.

• Cobre (Cu): A = 63,55uma• Alumínio (Al): A = 26,98uma• Níquel (Ni): A = 58,69uma

• Para o cobre, da tabela de raio atômico• R = 0,1278 nmA densidade é dada pela relação

Que aplicada à uma célula unitária

m

V

23

39 3

23

63,5510

= =8900 onde0,1278 10 2

massa atômica (uma) ou massa por mol (g)

número de Avogrado (6

46,02

(2 )

)

número de átomos por célula unitária

volume da

,02

cé u

10

l la

C

C

nA

kgNV m

A

N

n

V

unitária

http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6418-estrutura-hexagonal-compacta-hc (05/03/2013)

http://amigonerd.net/exatas/engenharia/tipos-de-estrutura-cristalina-e-seus-elementos (05/03/2013)

Hexagonal Compacta - HC

Número de coordenação

12

Há 6 átomos em umacélula unitária

Fator de empacotamento

0,74

deuns.chez.com

Pontos, Direções e Planos Cristalográficos

• Sistema de coordenadas é definido através da célula unitária, com origem arbitrária. Os vetores geradores do espaço são definidos pelas arestas da própria célula.

www.cimm.com.br

• A posição de um ponto dentro da rede cristalina fica, então, definida por um conjunto de três coordenadas

Exemplo 3.8 – Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais – 2ª. ed. (pág 42)

Especificar as coordenadas dos pontos para todas as posições atômicas em uma célula unitária CCC.

0 0 0 1 1 11 0 0 1 0 10 1 0 ½ ½ ½0 0 11 1 00 1 1 http://www.infoescola.com/elementos-quimicos/francio/

[x=1 y=0 z=0]

x=0 y=0 z=1

x=0 y=1 z=0

x

y

z

Direção Cristalográfica

• Vetor com ponto inicial na origem do sistema de coordenadas da rede;

• Esse vetor deve ser representado apenas por coordenadas que sejam múltiplos inteiros dos vetores geradores do espaço;

• Tal direção é, então, representada da seguinte forma: [u v w] – índices cristalográficos.

• Caso haja números negativos: [ ]u v w

Exemplo

x

y

z

Índices

Coordenadas

Vetores paralelos, logo,de mesma direção

[1 1 1]

½ ½ ½

Exercício

http://www.catalao.ufg.br/siscomp/sis_prof/admin/files/mgj/data18-04-2011-horas00-21-26.pdf

Desloca-se o vetor dado, originalmente, para que seu ponto inicial coincida com a origem.As coordenadas da extremidade são, então

½ na direção x½ na direção y-1 na direção z

Multiplicando todas as coordenadas por 2

[11 2]

Plano Cristalográfico

• Um plano cristalográfico é definido por seus índices de Miller ou índices planares;

• Representa-se o plano dentro de uma célula unitária, de modo que ele não passe através da origem, caso isso ocorra define-se outro plano paralelo, equivalente ao original;

• Determina-se as coordenadas dos pontos onde o plano intercepta os eixos;

• Toma-se os valores inversos das medidas acima e, se necessário, modifica-se os valores para obtenção de números inteiros (h k l);

• O conjunto (h k l) definem os índices de Miller.

wtprocess.ccs.unicamp.br

Célula Cúbica Simples - CC

Exemplo

Os inversos dos valores acima são: ½ ¾ 2Multiplicando todos por um fator 4, convertemos todos em números

inteiros e, então, os índices de Miller para este plano cristalino são[2 3 8]

Índices de MillerNa figura ao lado vê-se que o plano

intercepta os eixos nas posições

r = 2 a s = 4/3 bc = ½ t

http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6415-parametros-de-rede-direcoes-e-planos-cristalinos#.UUCzLNY8dvE

Densidade Linearnúmero de átomos centrados sobre o vetor direção

comprimento do vetor

1 1[ ] (SI)

[

direção

]DL

L m

DL

Densidade Planar

2 2

número de átomos centrados sobre um

1 1[

plano

área do plan

] (SI)[ ]

o

D

D

m

A

AL

Densidade planar em(1 1 0)

2

2 2

1

2) 2

como 2

1 1

2 4 2

1

(

(2 )

a

a R

R

DAa a

DAR

Densidade linear na direção [1 1 0]

2como 2

1

2

1

2

a

D

R

R

La

DA

Imperfeições nos Sólidos

http://mectips.blogspot.com.br/2010_04_01_archive.html

O que garante a perfeição na repetição do arranjo atômico dessa estrutura cristalina?

Na verdade, imperfeições podem ser introduzidas, com a finalidade de se desenvolver uma determinada característica no sólido.

Crescimento de grãos (cristais)

http://www.arauto.uminho.pt/pessoas/lanceros/fm_1/FMI-tema%203.pdf

(a) Início da solidificação apresenta vários núcleos (dezenas de átomos)(b)Pequenos cristais(c) Grãos com diversas formas e orientações

Dentro de cada grão prevalece um típo específicos de estrutura cristalina.

DEFEITOS PONTUAIS

Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais, Callister Jr.

Lacuna• Falta de um átomo em um sítio da rede

cristalina.• Sempre haverá lacunas, pois são defeitos

termodinâmicos (dependem da temperatura).• Por agitação térmica alguns átomos possuem

energia suficiente para se desprenderem de seu sítio e, então, deixam uma lacuna.

1Q

kTn Nen – número de lacunasN – números de sítiosQ1 – energia necessária para formação da lacunaK = 8,62.10-5 eV/átomo – constante de BoltzmanT – temperatura [T] = K (kelvin)

Auto-intersticial• Átomo do cristal comprimido num sítio

intersticial.• Em metais, causam grandes deformações, por

isso ocorrem em menor grau que as lacunas.

Impurezas• Impossível, atualmente, depurar um material

para atingir 100% e pureza.• Impurezas em metais formam soluções

sólidas*, onde o solvente é o material que apresenta maior quantidade e soluto o que apresenta menor quantidade. Os átomos de solvente são chamados átomos hospedeiros.

• Ligas metálicas.

*Soluções sólidas são formadas quando a introdução de impurezas não altera a estrutura cristalina. Quando há alteração da estrutura diz-se que houve a formação de uma segunda fase.

Soluções

• A solubilidade depende, dentre outros fatores, da razão entre os raios atômicos. Diferenças acima de 15% praticamente impossibilitam a formação de soluções sólidas.

• Outro fator que limita a solubilidade é a estrutura cristalina dos átomos, que deve ser a mesma.

Fase• Porção homogênea de um sistema. Possui

características físicas e químicas uniformes.• Exemplo: Ferro

Grãos de austenita (Solução de Fe e ~1% de C)

http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1517-70762008000300013

Liga de Al e 4,5% Cu

As regiões claras são uma matriz rica em Alumínio (solvente) – estrutura CCC – com Cobre dissolvido (impureza).As regiões mais escuras são compostas por uma segunda fase (CuAl2) de arranjo tetragonal.

A substância é, portanto, bifásica.

Composição (Concentração)• Porcentagem em peso (%p): porcentagem de

peso de soluto no peso total da liga.

• Porcentagem atômica (%a): porcentagem de moles de soluto na quantidade total de moles da liga.

1

11 2

(%p)

mC

m100

m

1

11 2

(%a)

nC

n100

n

DEFEITOS LINEARES – DISCORDÂNCIAS

Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais, Callister Jr.

Discordância aresta

DEFEITOS LINEARES – DISCORDÂNCIAS

Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais, Callister Jr.

Discordância espiral

DEFEITOS INTERFACIAIS

• SUPERFÍCIE EXTERNA: átomos da superfície de um cristal não possuem a mesma coordenação que os átomos do interior.

• CONTORNO DE GRÃO: descontinuidade existente entre cristais ou grãos em elementos policristalinos

• CONTORNO DE MACLA: tipo especial de contorno de grão, onde há uma simetria especular.

http://www.fem.unicamp.br/~sergio1/pos-graduacao/MR640/questresp.html

Tensão• Força por unidade de área

2[ ] (pascal)

F

AN

Pam

5

2

5

Outras unidades de tensão

1 10

1 6,895

1 1,013 10

bar Pa

lbpsi Pa

in

atm Pa

http://pt.wikipedia.org/wiki/Tens%C3%A3o_(mec%C3%A2nica)

Propriedades Mecânicas• Curva de TENSÃO-DEFORMAÇÃO (típica)

Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais, Callister Jr.

http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6537-a-curva-tensao-deformacao#.UU2w6Bc8dvE

Aço de baixo carbonoAté 0,3%

Aço de médio carbono0,3 ~ 0,6%

Aço de alto carbono> 0,6%

Limite de elasticidade: fuga da curva tensão vs deformação da linearidade (limite de proporcionalidade).

• Módulo de Young (fase elástica-linear)

2

[ ][ ]

[ ]

E

NE Pa

m

• Descarregamento

Tensão aliviada antes da deformação plástica. Havendo apenas deformação elástica, o corpo

recupera as dimensões originais.

http://www.lami.pucpr.br/cursos/estruturas/Parte03/Mod23/Curso1Mod23-04.htm

Tensão de escoamento: tensão capaz de causar deformação residual (permanente) de 0,2%.

• Deformação plástica

Tensão aliviada após atingir o regime plástico. Havendo deformações plásticas, o corpo não recupera as dimensões

originais, apresentando deformação permanente.

Recuperação elástica

http://www.lami.pucpr.br/cursos/estruturas/Parte03/Mod23/Curso1Mod23-04.htm

Tensão de ruptura: tensão observada para a máxima deformação.

Limite de resistência à tração: tensão máxima na curva tensão vs deformação de engenharia. Aparentemente há uma redução na resistência, porém, isso é devido à estricção.

Curva real e curva de engenharia

Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais, Callister Jr.

Encruamento: endurecimento por deformação plástica (próximas aulas).

DuctilidadeCapacidade de um material deformar sem sofrer

ruptura.

Material frágil (baixa ductilidade)

Material dúctil

http://www.mspc.eng.br/matr/resmat0140.shtml

Resiliência• Capacidade de um corpo absorver energia

durante a sua deformação e, depois, recuperá-la.

• Módulo de resiliência (uR)• Energia absorvida por unidade de volume para

uma deformação até o limite de escoamento (0,2% de deformação permanente).

Tenacidade (uT)• Energia por unidade de volume absorvida até a

ruptura.

A energia absorvida por unidade de volume em uma deformação é dada pela área sob o gráfico

tensão vs deformação

Módulo de resiliência (a) e tenacidade (b)

http://www.mspc.eng.br/matr/resmat0140.shtml

Cálculo do módulo de resiliência

2

como 1

2

2

e er e

er

eEu

uE

ò ò

• Dureza• Resistência à penetração ou deformação

permanente de sua superfície.

Há diversos ensaios para determinação da dureza.

• DUREZA DE RISCO• Mohs empregado em minerais

• DUREZA DE CHOQUE (SOBRESSALTO)• Shore

• DUREZA DE PENETRAÇÃO• Brinell• Mayer• Rockwell• Vickers

• Dureza Brinell (HB)

2 2

2 P

Dh D D D d

PHBS

1 2

2

d dd

O ensaio de dureza Brinell, como foi proposto originalmente, consiste em indentar uma superfície metálica com uma esfera de aço de diâmetro D = 10 mm sob uma carga P = 3000 Kgf.

Para metais macios, a carga é reduzida para 500 Kgf para evitar uma impressão muito profunda.

Para metais muito duros uma esfera de carbeto de tungstênio é usada para minimizar a distorção do indentador.

Notação dos resultados: XXX HB D / P / t

Exemplo

• 75 HB 10/500/30Dureza: 75 HBDiâmetro da esfera: 10 mmForça: 500 kgfTempo: 30 s

Condições do ensaio• A carga utilizada deve ser tal que a impressão

d seja um valor situado no intervalo 0,25D a 0,5D. Uma impressão ideal tem d=0,375D.

• Para uma impressão ideal deve-se manter o fator de carga P/D² constante.

P/D² DUREZA MATERIAIS

30 90 – 415 HB AÇOS E FERROS FUNDIDOS

10 30 – 140 HB COBRE, ALUMÍNIO E LIGAS MAIS DURAS

5 17 – 70 HB COBRE, ALUMÍNIO E SUAS LIGAS MAIS MOLES

2,5 Até 30 HB CHUMBO, ESTANHO, AITMÔNIO E METAIS PATENTE.

Padrões segundo ABNT• ABNT

NBRNM187 (05/1999) Materiais metálicos - Dureza Brinell - Parte 1: Medição da dureza Brinell - Parte 2: Calibração de máquinas de medir dureza Brinell - Parte 3: Calibração de blocos padrão a serem usados na calibração de máquinas de medir dureza Brinell.

• O diâmetro da esfera é determinado em função da espessura do corpo deprova ensaiado. A espessura mínima do material ensaiado deve ser 17 vezes a profundidade h da calota.

Exemplo

• Uma empresa comprou chapas de aço de 6 mm de espessura e dureza Brinell 200 HB. Para verificar será feito um ensaio de dureza. Determine as condições para um bom ensaio.

230 2

0

0

2 0

0

0 3

D hD

D D

Ph

HBS

Para este material o fator de carga é 30, logo

P = 30 D²

Uma impressão ideal tem diâmetro d = 0,375 D e, portanto, sua profundidade é

2

6como 17 0,351

17 170,351 200

7,351 e 30 7,3513

1621,20

6

ee h h mm

D mm k fP g

Lista de exercícios

• 7.3; 7.4; 7.5; 7.6; 7.8; 7.9; 7.23; 7.24; 7.25; 7.31; 7.32

• Quando necessário consultar tabelas: pág 137,